114 專技高考高等考試 機械工程技師 機械製造 考古題詳解

核心觀念

半固態壓鑄（semi-solid die casting）是將金屬合金控制在固相線與液相線之間，使其形成「固相顆粒分散於液相中的漿料」，再以壓鑄機將漿料射入模穴成形。它結合壓鑄的快速、近淨形生產，以及半固態金屬較高黏度、較平穩充填的特性。

半固態漿料中的固相通常呈近球狀或非枝晶組織。受剪切或攪拌時，漿料表觀黏度會下降，具有觸變性（thixotropy），因此能在射出時流動並充填模穴；停止流動後，黏度則回升，有助於維持形狀。

常見製程有兩種：

• 觸變鑄造（thixocasting）：先製備具有非枝晶組織的合金胚料，再將胚料加熱至固液共存區，形成半固態漿料後壓鑄。
• 流變鑄造（rheocasting）：由熔湯開始，經受控冷卻、攪拌或其他漿料製備方法，直接形成半固態金屬，再壓鑄。

解題方法

依「製程原理、性能優缺點、產品用途」三個層次作答。原理部分須交代金屬的固液兩相狀態、漿料如何製備，以及如何射入模穴；優缺點則從充填流動、氣孔與縮孔、模具熱負荷、組織與成本分析；應用部分列出適合大量生產、要求尺寸精度或結構性能的零件。

（一）半固態壓鑄的工作原理

1. 製備半固態漿料：將合金加熱或冷卻至固相線與液相線之間，使固相與液相共存，並藉由攪拌、剪切、電磁攪拌或適當的凝固控制，取得固相顆粒較細且近球狀的漿料。
2. 射出充填模穴：將定量漿料送入壓鑄機射出室，以壓力射入金屬模具。漿料在剪切作用下黏度下降，能流入模穴；相較於全液態金屬，通常較不易發生劇烈紊流與飛濺。
3. 凝固與取件：漿料在模具中繼續凝固，待鑄件成形後開模取出。

觸變鑄造是「固態胚料再加熱成半固態」；流變鑄造是「熔湯直接製成半固態漿料」。兩者的漿料來源不同，後段均以半固態金屬射入模穴成形。

（二）半固態壓鑄的優點與缺點

優點

• 減少氣孔與縮孔：半固態漿料流動較平穩，捲入氣體的情形較少；較低的澆注溫度也有助於降低凝固收縮相關缺陷。

核心觀念

平板輥軋中的皇冠形（crown），是指軋延後板材中央厚度大於兩側邊緣厚度，常以中央厚度與邊緣厚度之差表示：

其中 $h_c$ 為板材中央厚度，$h_e$ 為邊緣厚度。皇冠形通常以厚度分布描述；實際影響則包括板厚不均、板形不良及後續加工困難。

成因與形成機制

1. 軋輥彈性變形：軋製力使工作輥彎曲，輥縫沿板寬方向改變，導致中央與邊緣的壓下量不同。
2. 軋輥熱膨脹：軋製熱使輥身中段溫度較高、膨脹較大，造成輥面呈凸形，中央壓下量相對減少，板材中央較厚。
3. 軋輥磨耗不均：輥面不同位置磨耗程度不同，改變輥縫輪廓；輥身中央磨耗較多時，通常會加大中央與邊緣的厚度差。
4. 軋輥原有凸度或輥縫設定不當：輥身研磨輪廓、輥系配置或初始輥縫設定不合適，也會使板厚沿寬度方向分布不均。
5. 軋製條件不均：板材溫度、寬度、材料性質或軋製力分布不均，會使各處變形阻力與壓下量不同，增加厚度差。

解題方法：按「輥縫輪廓」找成因，再以「調整輥縫」找對策

皇冠形的直接原因是板寬方向的輥縫與壓下量不均。作答時先列出造成輥縫不均的機械與熱因素，再提出能改變輥縫輪廓、降低輥系變形或均勻溫度與磨耗的措施。

對策如下：

核心觀念

本題考切削時的熱如何產生，以及溫度升高為何會縮短刀具壽命。切削熱主要來自切屑形成與摩擦；熱量集中於切削區，並由切屑、刀具及工件帶走。刀具壽命則受刀具材料在高溫下的硬度、強度與抗磨耗能力影響。

解題方法

依序說明熱源，再連結溫度對刀具磨耗機制的作用。切削區通常分為三個主要發熱區：

1. 第一變形區（主剪切區）：工件材料受剪切變形而形成切屑，塑性變形所需的功大部分轉化為熱。
2. 第二變形區（刀具前刀面與切屑接觸區）：切屑沿前刀面流動，接觸面間的摩擦與材料黏著、滑移產生熱。
3. 第三變形區（刀具後刀面與新加工表面接觸區）：後刀面與工件表面摩擦，產生熱；刀具磨耗後接觸面積增加，該處發熱也會加劇。

切削速度提高時，單位時間內的變形與摩擦功增加，切削溫度通常上升。進給量、切深、刀具幾何形狀、工件與刀具材料、切削液及散熱條件也會影響溫度分布。

切削溫度對刀具壽命的影響

切削溫度升高會使刀具材料軟化，降低硬度、強度與抗磨耗能力，因此磨耗加快、刀具壽命縮短。主要影響如下：

核心觀念

本題考查摩擦攪拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）的固態接合原理、與電弧焊接的差異，以及適用的工件與產業。FSW 不以熔化母材形成熔池，而是利用旋轉工具與工件間的摩擦熱，使接合區材料軟化，再由工具攪拌、推擠，使材料在固態下結合。

解題方法

作答可依「工作原理 → 比較優點 → 應用範圍」組織。原理部分交代工具構造、熱與材料流動；比較部分以熱輸入、變形、缺陷及可接合材料等面向對照電弧焊；應用部分列舉典型材料、零件及產業。

（一）FSW 的工作原理

FSW 使用具肩部（shoulder）與攪拌針（pin）的旋轉工具。工具高速旋轉並壓入兩待接合工件的接縫，使肩部與工件表面、攪拌針與接合區材料產生摩擦及塑性變形熱。工具沿接縫移動時，熱使材料升溫至足以塑性流動的狀態，但通常低於母材熔點。

攪拌針將接縫兩側的軟化材料攪拌、推擠並重新分布；工具肩部則限制材料向上逸散，並施加鍛壓作用。材料在工具後方流動、填補接縫，並在壓力下凝固式地固態結合，形成連續焊道。實際製程中，工件須適當夾持，以承受工具施加的軸向力與行進力。

（二）相較於電弧焊接，FSW 的優點

1. 固態接合，熱輸入及熱影響較小：母材不形成熔池，通常能減少熔化、凝固相關問題；相較於電弧焊，焊接變形與殘留應力通常較低。
2. 焊縫品質穩定：不易產生與熔池凝固有關的氣孔、凝固裂縫、飛濺等問題；適當控制製程參數時，可得到致密且機械性質良好的接合區。

核心觀念

本題考查金屬射出成形（Metal Injection Molding, MIM）的製程原理、四大製程步驟，以及製程控制重點。MIM 將金屬粉末與高分子黏結劑混合成可射出的喂料，利用塑膠射出成形的方式製成生胚，再移除黏結劑並燒結，使零件緻密化。

（一）MIM 的工作原理

MIM 結合粉末冶金與塑膠射出成形的特點，可大量製造形狀複雜、尺寸小且精度高的金屬零件。基本流程如下：

1. 原料混煉 將細金屬粉末與黏結劑按適當比例混合、均勻塑化，形成具有流動性的喂料（feedstock）。金屬粉末是最終零件的主要材料；黏結劑則在成形前提供流動性與生胚強度。

2. 射出成形 將喂料加熱塑化後射入模穴，冷卻脫模，得到具有零件形狀的生胚（green part）。此時生胚含有金屬粉末與黏結劑，尺寸大於最終成品。

3. 脫脂 以溶劑、熱分解或催化等方式移除大部分黏結劑，形成棕胚（brown part）。脫脂須讓黏結劑平順逸出，避免生胚因內部壓力、支撐不足或排出不均而產生裂紋、孔洞或變形。

4. 燒結 在受控氣氛與溫度下加熱棕胚，使金屬粉末顆粒擴散、結合並收縮，形成具有所需強度與密度的金屬零件。燒結溫度通常低於該金屬的熔點，主要依靠固態擴散緻密化。

製程流程可簡記為：

（二）MIM 須注意事項